淺析港口起重機(jī)勢(shì)能回饋技術(shù)及方案

黃真銳

摘 要：集裝箱碼頭起重機(jī)作業(yè)電耗是碼頭生產(chǎn)作業(yè)主要能源消費(fèi)支出之一，行業(yè)內(nèi)一直在研究如何進(jìn)一步降低起重機(jī)能源成本。本文介紹了幾種適用在輪胎式龍門起重機(jī)上的節(jié)能改造方案，并對(duì)各方案的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比分析，作為方案選擇的參考。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)橋/RTG;起升機(jī)構(gòu);勢(shì)能回饋;單向整流器;AFE回饋裝置;測(cè)試方法

中圖分類號(hào)：U653.921? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）03-0144-03

專業(yè)集裝箱碼頭裝卸起重機(jī)主要有軌道式岸邊起重機(jī)（簡(jiǎn)稱岸橋）和堆場(chǎng)輪胎式龍門起重機(jī)（簡(jiǎn)稱場(chǎng)橋/RTG）。起重機(jī)裝卸作業(yè)是典型的位勢(shì)能負(fù)載，起升機(jī)構(gòu)上升時(shí)，電機(jī)處于耗能狀態(tài)，電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能;起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。岸橋設(shè)計(jì)時(shí)即使用電能作業(yè)，其驅(qū)動(dòng)裝置使用的是雙向整流單元，已考慮了勢(shì)能的回饋電網(wǎng)，后續(xù)的改造節(jié)電空間較小。而場(chǎng)橋（RTG）設(shè)備原設(shè)計(jì)為柴油機(jī)發(fā)電，起升機(jī)構(gòu)下降的回饋電能無(wú)法回饋給電網(wǎng)。隨著場(chǎng)橋逐步被改造成使用滑線架供電，其回饋電具備了再生利用的基礎(chǔ)條件。

根據(jù)測(cè)試，RTG的回饋電可占整機(jī)作業(yè)能耗的30%左右，節(jié)電空間非常大，行業(yè)內(nèi)對(duì)回饋電的再生利用技術(shù)基本都是近幾年才發(fā)展完善的，各個(gè)碼頭對(duì)各項(xiàng)技術(shù)分支尚在觀察測(cè)試階段，本文探討了較為主流的幾項(xiàng)勢(shì)能回饋技術(shù)。

1起重機(jī)勢(shì)能回饋技術(shù)節(jié)能原理

全電動(dòng)改造前的RTG，采用單向整流器把市電或發(fā)電機(jī)供電的460V交流電源整流為直流電源，在集裝箱提升作業(yè)時(shí)，起升電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，起升變頻器從直流母線上獲取能量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在集裝箱下降作業(yè)時(shí)，起升電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。重物的勢(shì)能減少帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，通過(guò)變頻器把交流電源整流為直流，回饋到直流母線，使直流母線電壓升高。為保護(hù)變頻器，當(dāng)直流母線電壓超過(guò)一定閥值（710V），電阻器通過(guò)發(fā)熱的形式把超量部分的電能消耗掉。

由上述可知，起重機(jī)主要的電能回饋來(lái)自于起升機(jī)構(gòu)的勢(shì)能變化，還有一小部分是各機(jī)構(gòu)的減速或剎車過(guò)程，他們共同的特點(diǎn)是會(huì)引起直流母線電壓的變化。針對(duì)如何利用起重機(jī)的超量回饋能量，行業(yè)上主要有兩個(gè)方向：共直流母線儲(chǔ)能方案和電網(wǎng)電能回饋方案。

共直流母線儲(chǔ)能方案是指在直流母線上并聯(lián)一套儲(chǔ)能裝置，例如鋰電池、超級(jí)電容等，將起重機(jī)作業(yè)期間回饋的再生能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在起升機(jī)構(gòu)提升和大、小車加速行駛、過(guò)街、轉(zhuǎn)場(chǎng)等能耗高峰階段使用，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換，以達(dá)到降低能耗效果。簡(jiǎn)而言之，共直流母線儲(chǔ)能方案是回收自身勢(shì)能來(lái)供自身使用。

電網(wǎng)電能回饋方案是指通過(guò)加裝一套雙向整流回饋裝置，用于替代原單向整流器工作，把多余的回饋電能逆變?yōu)榻涣麟姡邓碗娋W(wǎng)。而返送電網(wǎng)的回饋電除一部分被自身其他用電設(shè)備消耗掉外，還可供同一輸電干線下的其他設(shè)備使用，如果有多臺(tái)設(shè)備具有雙向整流回饋裝置，那么再生回饋電就可互相利用，從而達(dá)到降低碼頭整體用電量的效果。

2電能回饋技術(shù)方案

2.1共直流母線儲(chǔ)能技術(shù)

以配備雙電池組的直流母線儲(chǔ)能技術(shù)為例，主要的核心設(shè)備由雙電池組、電池管理系統(tǒng)、雙向DC/DC、逆變器組成。如圖1所示：

儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部分電池組分為能量回收電池組和轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)街電池組，能量回收電池組用于起重機(jī)各機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)助力和能量回饋時(shí)的儲(chǔ)能，轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)街電池組主要用于RTG在轉(zhuǎn)場(chǎng)、過(guò)街等無(wú)市電的情況下行走時(shí)提供續(xù)航。

雙向DC/DC主要起調(diào)壓、穩(wěn)壓作用，電池組放電時(shí)升壓至和直流母線電壓一致，給變頻器和電機(jī)助力供電;電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)電導(dǎo)致直流母線電壓升高時(shí)，DC/DC反向?qū)刂葡螂姵亟M充電。

以起升機(jī)構(gòu)工作為例，在集裝箱提升作業(yè)時(shí)，起升電機(jī)做正功使直流母線電壓下降，起重機(jī)控制器收到提升指令后控制DC/DC進(jìn)入正向?qū)?，能量回收電池組處于放電狀態(tài)，電池組通過(guò)DC/DC輸出能量補(bǔ)償電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)電效果。在集裝箱下降階段，控制器收到下降指令后，當(dāng)檢測(cè)到直流母線電壓升高到一定的值后，控制DC/DC反向?qū)?，再生回饋能量通過(guò)DC/DC給能量回收電池組充電。

在RTG過(guò)街/轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，設(shè)備的所有用電由轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)街電池組提供，因此還需要利用一臺(tái)逆變器將儲(chǔ)能設(shè)備的直流電轉(zhuǎn)換成380V三相交流電給輔助設(shè)備（控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、照明等）供電。

2.2電網(wǎng)能量回饋方案

能量回饋裝置是指主要由AFE（全控整流回饋單元）、LCL濾波裝置、工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)、雙向數(shù)字計(jì)量表等組成一體化控制合柜。

能量回饋裝置的主體部份AFE采用可控整流技術(shù)，其控制采用雙PWM 控制技術(shù)，工作原理：①當(dāng)電機(jī)處于拖動(dòng)狀態(tài)時(shí)，AFE2000 將能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器整流，給中間濾波電容充電，逆變器在PWM 控制下將能量傳送到電機(jī)，可達(dá)到自由設(shè)定輸出給電機(jī)的直流電壓值，滿足不同額定電壓等級(jí)的設(shè)備使用;②當(dāng)電機(jī)處于減速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于負(fù)載慣性用進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)組件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時(shí)整流器中開關(guān)組件在PWM 控制下將能量回饋到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動(dòng)。同時(shí)由于PWM 整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。

由于AFE 采用雙死循環(huán)控制，電壓外環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓的幅值和大小，保證AFE 在能量回饋時(shí)能夠和電網(wǎng)的頻率和幅值一致，電流內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)保證回饋到電網(wǎng)的電流和電壓相位一致，保證輸入到電網(wǎng)的回饋能量的功率因子能夠達(dá)到接近于1 的標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)的電流互感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的諧波狀況，以輸出相反的諧波，達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波的目的，保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量。AFE內(nèi)部電路原理圖如圖2所示：

2.3多臺(tái)設(shè)備改造共電網(wǎng)作業(yè)

電網(wǎng)能量回饋方案回饋的電能除小部分被自身輔助用電設(shè)備使用外，主要被同電網(wǎng)下的其他作業(yè)設(shè)備消耗，因此其節(jié)能優(yōu)勢(shì)在本機(jī)上體現(xiàn)不明顯，而當(dāng)有多臺(tái)經(jīng)能量回饋改造的起重設(shè)備同時(shí)投入使用時(shí)，其回饋電互相被利用的效率會(huì)大大提高，整體的節(jié)能優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。

如圖3所示例，當(dāng)有4臺(tái)改裝了AFE能量回饋裝置的RTG投入作業(yè)時(shí)，其回饋電除在4臺(tái)RTG中互相利用外，多余的電能將返送電網(wǎng)，在上一級(jí)電網(wǎng)的其他箱變?nèi)?、岸邊起重機(jī)群、樓宇建筑群中使用。

3幾種勢(shì)能回饋節(jié)能方案的對(duì)比分析

3.1節(jié)能率比較

做節(jié)能測(cè)試時(shí)，我們采用綜合節(jié)能率測(cè)試方法，即按作業(yè)量為每小時(shí)8個(gè)集裝箱的要求，集裝箱重量為15噸，RTG模擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，每次吊箱需要走大車60米、小車30米、起升30米左右，并每吊次之間等待3～4分鐘進(jìn)場(chǎng)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示：

三種改造方案從節(jié)電率來(lái)比較，差距不算明顯，其中采用電網(wǎng)能量回饋方案的節(jié)能率相對(duì)是最高的。

3.2綜合比較

幾種改造方案各有優(yōu)劣，如表2所示：

方案優(yōu)點(diǎn) 技術(shù)成熟，可靠性高;滿足ERTG電動(dòng)過(guò)街和短距離轉(zhuǎn)場(chǎng)需求。 免維護(hù)，儲(chǔ)電能力強(qiáng)，基本滿足ERTG全電動(dòng)過(guò)街轉(zhuǎn)場(chǎng)操作需求。 免維護(hù)，技術(shù)成熟，可靠性高;節(jié)能率和投資回報(bào)期都比較理想

方案缺點(diǎn) 長(zhǎng)轉(zhuǎn)場(chǎng)需開發(fā)電機(jī)，未能實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)功能和廢氣“0”排放，超級(jí)電容需要定期維護(hù)，改造和運(yùn)行成本較高，投資回報(bào)期長(zhǎng)。 鋰電池成本較高，電池存在衰減及一致性的問(wèn)題。改造成本較高，投資回報(bào)期長(zhǎng)。 需要成規(guī)模改造才能出節(jié)能效益，ERTG不可實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)過(guò)街轉(zhuǎn)場(chǎng)。

從上表得知，共直流母線儲(chǔ)電方案技術(shù)上均有一定的不穩(wěn)定性，改造成本較高，投資回報(bào)期較長(zhǎng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能解決純電動(dòng)過(guò)街轉(zhuǎn)場(chǎng)問(wèn)題;而電網(wǎng)能量回饋方案優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，改造成本低，維護(hù)費(fèi)用極低，成規(guī)模改造后的節(jié)電效果明顯，缺點(diǎn)是不能解決純電過(guò)街轉(zhuǎn)場(chǎng)問(wèn)題。

我司碼頭目前確定選擇技術(shù)更為穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)能量回饋方案，過(guò)街轉(zhuǎn)場(chǎng)則通過(guò)小發(fā)動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)（660KW改為150KW），這個(gè)組合方案能以較低成本達(dá)到快速成規(guī)模改造，形成節(jié)電收益，是一個(gè)比較科學(xué)可行的改造方案。

4結(jié)論

國(guó)內(nèi)港口碼頭起重機(jī)設(shè)備大都經(jīng)歷過(guò)“油改電”的節(jié)能減排改造，目前已經(jīng)進(jìn)入到精細(xì)化的節(jié)電改造階段，而RTG勢(shì)能回饋是目前節(jié)電潛力最大的項(xiàng)目。本文介紹三種改造方案各有優(yōu)劣，各碼頭如進(jìn)行起重機(jī)勢(shì)能回饋技術(shù)改造時(shí)可根據(jù)碼頭實(shí)際經(jīng)營(yíng)情況、設(shè)備特點(diǎn)、計(jì)費(fèi)模式等選擇符合自身利益的改造方案，以取得理想的投資與收益平衡，確保能獲得預(yù)期的節(jié)電收益。